Propuesta de diseño de red de sensores inalámbricos para la programación del riego en la caña de azúcar

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Propuesta de diseño de red de sensores inalámbricos para la programación del riego en la caña de azúcar. Tesis presentada en opción al Título Académico de Master en Telemática. Maestría en Telemática. Autor: Ing. Leonel Figueredo Fernández Tutor: Dr. C. Andrés Subert Samanat. Santa Clara, Cuba, 2016.

(2) PENSAMIENTO … Sólo la. ciencia, la técnica y la productividad por hectárea podrán enfrentar el. grandioso desafío que tiene por delante un planeta que se empobrece y cuya tierra agrícola y agua potable disminuyen año por año… Fidel Castro. I.

(3) DEDICATORIA. A mi madre Carmen Luisa Fernández A mi abuela Ana Irma Pérez A mi familia. II.

(4) AGRADECIMIENTOS Al colectivo de profesores de la Maestría por su profesionalismo en la impartición de sus conocimientos. Al tutor Dr.C Andrés Subert por sus orientaciones precisas en la realización de la investigación. A Dilber Rosabal por su gran ayuda y apoyo en esta aventura de superación profesional por la UCLV. Gracias al trabajo en equipo todo resultó menos difícil. A los profesores del Departamento de Desarrollo de la Universidad de Granma, en especial a Yenner J Díaz por su ayuda incondicional en la investigación. A Abel Meneses, Erick Leonard y Alberto Verdecia por su ayuda con el acceso a las tecnologías en la UCLV para que la semana de Maestría fuera productiva y por las ocasiones en las que nos ayudaron con la Beca. A las nuevas amistades creadas en el grupo de Maestría donde siempre prevaleció un clima de compañerismo y cooperación. A los profesionales de GESA Carlos, Zoila, Camilo y José por su ayuda solidaria en la investigación. A Idania por su ayuda con los datos de la CPA para la realización de la investigación. A todas aquellas personas que de una forma u otra han contribuido en la realización de esta investigación y a los que estuvieron al tanto de mi superación en la UCLV. En fin, a todos muchas gracias.. III.

(5) RESUMEN La incorporación de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación en la agricultura ha permitido la obtención de mayores rendimientos productivos en los cultivos y la utilización de forma eficiente del agua destinada para el riego. En la investigación se realizó una revisión general de las características principales de las redes de sensores inalámbricos para su utilización en la toma de decisiones sobre el riego en la agricultura. A través de varias etapas se propuso las consideraciones para el diseño de la red de sensores divididas en el estudio del terreno para identificar los puntos representativos donde deben ser colocados los sensores de humedad del suelo, los cálculos de ingeniería para predecir las pérdidas en el trayecto de propagación de la onda, el planeamiento de la red y el uso de programas de simulación. Se realizó una propuesta de red inalámbrica compuesta por 14 nodos sensores para la supervisión y programación del riego por goteo para el cultivo de la caña de azúcar en un terreno de la cooperativa de producción agropecuaria Primer Soviet de América del municipio Bayamo. Mediante la utilización de la herramienta de simulación de red y un filtro con extensión (.awk) se analizaron diferentes métricas resultado del comportamiento de la topología de red. Se realizó la valoración económica de la propuesta de inversión.. Palabras clave: riego, humedad del suelo, redes de sensores inalámbricos, agricultura de precisión.. IV.

(6) ABSTRACT. The incorporation of the new communication and information technologies in the agriculture has allowed obtaining greater productive yields in the crops and the efficient use of the water destined for the irrigation. The research carried out an overall review of the main characteristics of wireless sensor networks for its use in decision making on agricultural irrigation. Through several stages, the considerations for the design of the sensor network divided in the studied fields were proposed to identify the representative points where the soil moisture sensors should be placed, the engineering calculations to predict the losses in the path of Propagation of the wave, network planning and the use of simulation programs. A proposal was made for a wireless network composed of 14 sensor nodes for the supervision and programming of drip irrigation for the cultivation of sugar cane in a land of the agricultural cooperative of the First Soviet of America from Bayamo municipality. By using the simulation tool and a filter with extension (.awk), different metrics were analyzed as a result of the behavior of the network topology. It was also made the economic valuation of the investment proposal.. Key words: Irrigation, soil moisture, wireless sensor networks, precision agriculture.. V.

(7) ÍNDICE GENERAL. INTRODUCCIÓN --------------------------------------------------------------------------------------------------------1 CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 1.1 El riego para la agricultura ----------------------------------------------------------------------------------6 1.2 La humedad del suelo para la programación del riego -------------------------------------------6 1.2.1 Métodos de medición de humedad del suelo ------------------------------------------------ 8 1.2.2 Medición de humedad del suelo a distancia ------------------------------------------------- 9 1.3 Redes de sensores inalámbricos ----------------------------------------------------------------------- 10 1.3.1 Estructura de los nodos sensores --------------------------------------------------------------11 1.3.2 Características de una red de sensores inalámbricos -----------------------------------12 1.3.3 Tecnologías inalámbricas para las redes de sensores ----------------------------------13 1.3.4 El estándar IEEE 802.15.4------------------------------------------------------------------------15 1.3.4.1 Capa física IEEE 802.15.4 -------------------------------------------------------------------- 15 1.3.4.2 Capa MAC IEEE 802.15.4 -------------------------------------------------------------------- 16 1.3.4.3 Funcionalidad y topología de los dispositivos IEEE 802.15.4 -------------------- 18 1.3.5 Zigbee ---------------------------------------------------------------------------------------------------19 1.3.5.1 Capa de red de Zigbee ------------------------------------------------------------------------- 20 1.3.5.2 Capa de aplicación de Zigbee --------------------------------------------------------------- 21 1.3.6 Sistemas operativos para redes de sensores inalámbricos ----------------------------22 1.3.7 Protocolos de enrutamiento en redes de sensores inalámbricos --------------------22 1.3.7.1 Protocolos de enrutamientos proactivos ------------------------------------------------- 23 1.3.7.2 Protocolos de enrutamientos reactivos --------------------------------------------------- 23 1.3.7.3 Protocolos de enrutamientos específicos ----------------------------------------------- 24 1.3.8 Simuladores para redes de sensores inalámbricos---------------------------------------25 1.4 Redes de sensores inalámbricos para la programación del riego -------------------------- 26 1.5 Conclusiones del capítulo --------------------------------------------------------------------------------- 27 CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA RED DE SENSORES INALÁMBRICOSPARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO --------------------------------------------------------------------------------- 28 2.1 Descripción general de la propuesta de diseño de la red de sensores------------------- 28 2.2 Estudio del terreno ------------------------------------------------------------------------------------------- 30 2.3 Plataforma de hardware para la red ------------------------------------------------------------------- 30 VI.

(8) 2.4 Propagación de la onda de radio ----------------------------------------------------------------------- 32 2.4.1 Modelos de atenuación de la onda en presencia de la vegetación ------------------32 2.4.2 Altura física de las antenas de los nodos ----------------------------------------------------34 2.4.3 Modelo de propagación ----------------------------------------------------------------------------36 2.4.4 Balance de potencia del enlace de radio-----------------------------------------------------37 2.5 Planeamiento de la red de sensores inalámbricos ----------------------------------------------- 38 2.5.1 Funcionalidades de los nodos -------------------------------------------------------------------38 2.5.2 Diseño de la topología de red--------------------------------------------------------------------40 2.6 Simulación y evaluación de la red de sensores inalámbricos -------------------------------- 41 2.7 Conclusiones del capítulo --------------------------------------------------------------------------------- 43 CAPÍTULO 3. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA CPA PRIMER SOVIET DE AMÉRICA ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 45 3.1 Estudio del terreno ------------------------------------------------------------------------------------------- 45 3.1.1 Características del suelo --------------------------------------------------------------------------46 3.1.2 Características de la caña sembrada ---------------------------------------------------------46 3.1.3 Programación actual del sistema de riego ---------------------------------------------------46 3.1.4 Selección de los puntos representativos sobre el terreno ------------------------------47 3.2 Plataforma de hardware y propagación de la onda ---------------------------------------------- 49 3.3 Planeamiento de la red de sensores ------------------------------------------------------------------ 50 3.4 Simulación y evaluación de la red de sensores inalámbricos -------------------------------- 52 3.4.1 Simulación con el programa NS2 ---------------------------------------------------------------53 3.4.2 Configuración de la simulación ------------------------------------------------------------------53 3.4.3 Simulación de la topología en árbol -----------------------------------------------------------55 3.4.4 Simulación de la topología en malla -----------------------------------------------------------56 3.4.5 Selección de la topología para la red de sensores ---------------------------------------56 3.5 Consideraciones para su implementación ---------------------------------------------------------- 58 3.6 Valoración económica -------------------------------------------------------------------------------------- 58 3.7 Conclusiones del capítulo --------------------------------------------------------------------------------- 60 CONCLUSIONES ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 61 RECOMENDACIONES --------------------------------------------------------------------------------------------- 62 BIBLIOGRAFÍA ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- I ANEXOS-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------VI ANEXO I. Estructura de las tramas del estándar IEEE 802.15.4 ---------------------------------VI VII.

(9) ANEXO III. Características del suelo y su representación cartográfica ----------------------- XIV ANEXO IV. Sectores de riego del terreno de estudio de la investigación--------------------- XV ANEXO V. Implementación de la topología Árbol en el NS2 ------------------------------------- XVI ANEXO VI. Campos del archivo traza de la simulación de NS2 --------------------------------- XX ANEXO VII. Filtro awk para analizar los resultados de las simulaciones ------------------- XXII. VIII.

(10) INTRODUCCIÓN. El uso eficiente del agua disponible para el riego es fundamental para obtener rentabilidad en la agricultura. Por ello, el conocimiento del consumo de agua por los cultivos y el manejo adecuado del riego son factores importantes para la realización de buenas prácticas agrarias. El incremento de la demanda de alimentos a nivel mundial en los últimos años, ha provocado una tendencia de aplicar los avances de la ciencia y la técnica en la agricultura tradicional para multiplicar la producción de los cultivos. Los sistemas de producción agrícolas se han beneficiado de la incorporación de los adelantos científicos-técnicos desarrollados inicialmente para diversas ramas de la industria. La era industrial aportó la mecanización y los fertilizantes sintetizados, la revolución tecnológica ofreció la aplicación de la ingeniería genética y la automatización, y la era de la información llegó con el potencial necesario para integrar los avances tecnológicos en la agricultura [1]. La incorporación de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación para obtener mayores rendimientos en los cultivos y gestionar de forma óptima el riego es conocida como agricultura de precisión. Se trata de encontrar nuevos métodos que permitan evaluar y entender las variaciones existentes en los cultivos con el objetivo de estimar con mayor exactitud las necesidades de fertilizantes, riego, las fases de desarrollo y maduración de los productos y los puntos óptimos de siembra y recolección [1]. La agricultura de precisión ha sido beneficiada por numerosas tecnologías entre las que se pueden mencionar: los sistemas de posición global (GPS, Global Position Systems), los sistemas de información geográfica (SIG), la percepción remota aérea y satelital, la microelectrónica, las comunicaciones inalámbricas y los sistemas de instrumentación [1, 2]. Hoy en día, los avances tecnológicos en la electrónica y las comunicaciones inalámbricas han permitido su incorporación en aplicaciones para la agricultura. Se han desarrollado dispositivos con capacidades de comunicación, instalados en cualquier localización, cada vez más pequeños, autónomos, potentes y con un consumo de batería más eficiente [3]. Las mediciones de los parámetros ambientales han sido enviadas por redes inalámbricas hasta donde se realice el proceso de monitorización por los agricultores. Para ello, se han utilizado: (i) las redes inalámbricas de área personal (WPAN, Wireless Personal Area Network), (ii) las redes inalámbricas de área local (WLAN, Wireless Local Area Network) y (iii) la red celular, mediante el sistema global para las comunicaciones móviles (GSM, Global. 1.

(11) INTRODUCCIÓN. System for Mobile) y el servicio general de paquetes vía radio (GPRS, General Packet Radio Service). La comunicación inalámbrica entre un conjunto de dispositivos sensores autónomos para llevar a cabo un objetivo común es conocida como redes de sensores inalámbricos. Se han utilizado en la agricultura para aumentar la producción y el crecimiento de la cosecha, en el control del riego, para optimizar rendimientos de los cultivos y maximizar el uso eficiente del agua en los campos, al tener en cuenta la variación en la disponibilidad del recurso hídrico debido a las diferentes características del suelo o las necesidades de los cultivos y el control de las válvulas de riego [4]. La agroindustria azucarera representó históricamente la actividad económica más importante de Cuba, al ser la fuente principal de ingresos en divisas durante muchos años y la garantía para la adquisición de créditos externos. Hoy es una fuente considerable de empleo y por su efecto multiplicador sobre otros sectores, constituye un referente por excelencia para el desarrollo local. El grupo empresarial AZCUBA (antes Ministerio del Azúcar) ha incorporado paulatinamente sistemas de riegos en las áreas sembradas de caña para aumentar los rendimientos en toneladas por hectáreas comparadas con la caña de secano1. Para ello, se establecen contratos económicos con la empresa de Aprovechamiento Hidráulico que pertenece al Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH) que es la encargada de administrar los embalses de agua distribuidos por todo el país. Cada año el INRH planifica utilizar más de 8 000 hectómetros cúbicos de agua, del cual se destina más del 53% para el riego en las áreas sembradas de diversos cultivos2. La actividad de riego tiene una importancia estratégica en la recuperación de la caña de azúcar, principalmente cuando se manifiestan eventos climáticos extremos como las sequías prolongadas producto del cambio climático global. La programación del riego debe responder a dos preguntas básicas: ¿cuándo regar? y ¿cuánto regar? El objetivo es maximizar la eficiencia del riego mediante la aplicación de la cantidad exacta de agua necesaria para reponer la humedad del suelo al nivel deseado. Estas interrogantes son respondidas por los agricultores cañeros apoyados por la experiencia acumulada y otros emplean un tiempo de riego fijo durante todo el ciclo del cultivo. Otra técnica utilizada es el uso de pluviómetros para medir la cantidad de agua de. 1 2. Ausencia de riego artificial Datos disponibles en http://www.hidro.cu. 2.

(12) INTRODUCCIÓN. lluvia caída sobre el terreno y basado en ello, estiman la próxima frecuencia del riego después de la lluvia. Las técnicas empleadas son imprecisas y no permite a los agricultores conocer la cantidad de agua que verdaderamente le hace falta al cultivo, así como, por cuanto tiempo deben de regar para aumentar sus rendimientos. En este sentido, la supervisión de la humedad del suelo es esencial para eliminar las estimaciones, conseguir ahorrar agua, reducir costos de bombeo y evitar los lavados excesivos de nitrógeno debido a riegos demasiado copiosos. En el contexto anterior, se identifica el siguiente problema de investigación: ¿cómo contribuir a la supervisión y programación del riego en la caña de azúcar? El objeto de estudio consiste en las tecnologías para la programación del riego. Para dar solución al problema planteado se define el siguiente objetivo general: proponer un diseño de red de sensores inalámbricos para determinar la humedad del suelo que permita la supervisión y programación del riego en la caña de azúcar. El campo de acción se limita a la utilización de las redes de sensores inalámbricos para la programación del riego. A partir del objetivo general se derivan los siguientes objetivos específicos: 1. Describir los métodos de medición de humedad del suelo utilizados para la programación del riego. 2. Analizar las características generales de la red de sensores inalámbricos que permita su utilización en la supervisión y programación del riego. 3. Proponer una metodología para el diseño de la red de sensores inalámbricos para la supervisión y programación del riego. 4. Realizar un diseño de red de sensores inalámbricos para la supervisión y programación del riego en un terreno de la cooperativa de producción agropecuaria Primer Soviet de América del municipio Bayamo. El desarrollo de la investigación proporciona respuestas a las siguientes interrogantes científicas: 1. ¿Cómo realizar la programación del riego en función de las mediciones de humedad del suelo? 2. ¿Cuáles son las características de las redes de sensores inalámbricos que permiten su utilización en la supervisión y programación del riego? 3. ¿Qué criterios deben ser considerados en el diseño y planeación de una red inalámbrica de sensores de humedad del suelo para la supervisión y programación del riego en la caña de azúcar? 3.

(13) INTRODUCCIÓN. 4. ¿Cómo evaluar técnica y económicamente el diseño de red de sensores propuesto para un terreno de la cooperativa de producción agropecuaria Primer Soviet de América del municipio Bayamo? En el desarrollo de la investigación se utilizaron los métodos teóricos y empíricos. Como métodos teóricos se empleó el histórico-lógico que permitió contextualizar el problema de investigación, sus antecedentes y desarrollo. El método analítico-sintético para analizar los referentes teóricos sobre las redes de sensores inalámbricos para su utilización en el sector agrícola. La modelación posibilitó la representación de la arquitectura de la red de sensores inalámbricos y su simulación para posteriormente analizar los resultados. El inductivo-deductivo para establecer generalidades para el diseño de la arquitectura de la red y seleccionar el equipamiento para la red de sensores, así como para arribar a conclusiones parciales y finales. Como método empírico se empleó la observación para conocer las limitaciones técnicas para la programación del riego. Además, se utilizó como técnica de recopilación de información la entrevista para conocer sobre el funcionamiento del sistema de riego en el caso de estudio y la existencia o no de algún sistema de radiocomunicación operando en la banda de 2.4 GHz para el diseño de la red de sensores. El informe se ha estructurado de la siguiente manera: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En el primer capítulo se analizan los conceptos y métodos de medición de la humedad del suelo para la programación del riego. Se realiza una revisión general de las características principales que presentan las redes de sensores inalámbricos tales como las topologías, protocolos de comunicación, sistemas operativos y simuladores para la red. En el segundo capítulo se describe una propuesta de metodología para el diseño de la red de sensores inalámbricos para la supervisión y programación del riego. Se describe las consideraciones para identificar los puntos representativos donde serán ubicados los sensores de humedad sobre el terreno, los cálculos para predecir las pérdidas en el trayecto de propagación, la utilización de programas que permitan la simulación para la evaluación de protocolos y la topología de la red a implementar sobre el terreno. En el tercer capítulo se realiza una propuesta de red de sensores inalámbricos en un terreno de la cooperativa de producción agropecuaria Primer Soviet de América del municipio Bayamo para determinar el contenido de humedad presente en el suelo y de esta forma realizar una adecuada programación del riego por goteo. La propuesta de red se evalúa técnica y económicamente mediante un programa de simulación de red y el análisis de los 4.

(14) INTRODUCCIÓN. costes para su implementación. En la culminación del informe se presentan las conclusiones donde se abordan los resultados obtenidos en la investigación, las recomendaciones y los anexos.. 5.

(15) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO En este capítulo se analizan los conceptos fundamentales del riego y los métodos utilizados para determinar la humedad del suelo. Se realiza una revisión general de las características principales de las redes de sensores inalámbricos y se describe con más detalle las características de esta tecnología tales como: las topologías de red, protocolos de comunicación, sistemas operativos y simuladores para la red. Se propone la utilización de las redes de sensores para la monitorización de la humedad del suelo.. 1.1 El riego para la agricultura El riego o irrigación es fundamental para aumentar los rendimientos de la producción agrícola, es definido como la aplicación artificial de agua a la tierra con el fin de suministrar a las especies vegetales la humedad necesaria para su desarrollo [5]. El riego persigue los siguientes objetivos: (i) compensar deficiencias de humedad en el suelo, (ii) mejorar las condiciones ambientales del suelo y el cultivo y (iii) aplicar nutrientes y medios protectores [6]. Un buen manejo del riego se basa en optimizar la distribución espacial y temporal del agua aplicada con el objeto de incrementar la producción y calidad de los cultivos. La actividad del riego constituye un beneficio imprescindible para las plantaciones cañeras, con lo que es posible alcanzar incrementos de rendimientos agrícolas con relación a la caña que no se suministra agua artificialmente en más de 40 toneladas por hectáreas [7].. 1.2 La humedad del suelo para la programación del riego El suelo es un medio poroso que forma un depósito de agua y nutrientes para la planta. En términos de riego, este depósito tiene una capacidad máxima denominada capacidad de campo (CC) y una capacidad mínima llamada punto de marchitez permanente (PMP). La CC es la cantidad máxima de agua que el suelo puede retener contra la fuerza de gravedad luego de haber sido saturado y en ausencia de evaporación directa, situación que ocurre 24 o 48 horas después de que el suelo haya sido humedecido por la lluvia o el riego. En el punto de CC el agua no es retenida fuertemente por las partículas del suelo y es fácil para las plantas extraer el agua [8]. Por encima de la CC el suelo se encuentra saturado, el 100% de los poros están ocupados por agua y es desfavorable para los cultivos (exceptuando al arroz) ya que las raíces sufren de anoxia (carencia de oxígeno) y no pueden cumplir las funciones metabólicas de las cuales dependen los órganos aéreos de 6.

(16) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. la planta. El agua que se suministra al suelo por encima de la CC se pierde por escorrentía3 o percolación profunda. El PMP se define como el contenido de humedad del suelo en el cual las raíces de la planta no tienen la capacidad de absorber el agua del suelo debido a que está retenida fuertemente por las partículas del suelo haciendo que se marchite y muera si no se le proporciona agua. Por debajo de PMP, varios cultivos son incapaces de recuperarse, aun después de ser colocados en una atmósfera saturada por un período de 12 horas [9].. Figura 1.1 Relación general del contenido de agua volumétrica y la textura del suelo [10]. La figura 1.1 muestra la relación general del contenido de agua volumétrica y la textura del suelo. Esta textura afecta las características de retención de la humedad, así por ejemplo, a una misma magnitud de las fuerzas de retención de humedad, los suelos arcillosos retienen más humedad que los arenosos. La cantidad de agua que puede ser absorbida por el cultivo se denomina agua disponible para la planta (ADP) y es la diferencia entre la CC y el PMP. La programación del riego es un proceso de decisión orientado a determinar las cantidades de agua a suministrar y las fechas de aplicación de cada riego para minimizar deficiencias o excesos de humedad en el suelo que pudieran causar efectos adversos sobre el crecimiento, rendimiento y calidad de los cultivos. En la programación del riego se debe mantener la humedad entre dos límites. Un límite inferior o déficit permitido en el manejo del riego (DPM) que es contenido de agua intermedio. 3. Agua procedente de la lluvia u otro origen que escurre sobre la superficie del suelo.. 7.

(17) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. entre CC y PMP que indica cuando se debe iniciar el riego y un límite superior con el valor más húmedo que se permite y determina cuando se debe de parar de regar, sin exceder la CC, de lo contrario, ocurriría una percolación o un drenaje profundo [10, 11].. 1.2.1 Métodos de medición de humedad del suelo Los métodos de medición de humedad del suelo permiten conocer la existencia de agua disponible para la planta y tienen la ventaja de incluir los posibles aportes del agua almacenada en el suelo como la influencia de agua subterránea. Se clasifican en métodos directos (gravimétrico-volumétrico) e indirectos (tensiómetro, resistencia eléctrica, sonda de neutrones, instrumentos electromagnéticos como reflectometría de dominio del tiempo y dominio de frecuencias). Método gravimétrico y volumétrico Este método consiste en extraer muestras de suelo en la profundidad de interés, las cuales son pesadas húmedas y secadas en una estufa a una temperatura de 105 °C para después volverlas a pesar. La diferencia entre el peso de la muestra húmeda y seca, es la cantidad de agua que relacionada con el peso seco del suelo representa el contenido de humedad en el momento de muestreo [8]. Los resultados de esta determinación gravimétrica se expresan como la masa de agua en relación a la masa de suelo (contenido gravimétrico de agua) o también como el volumen de agua en relación al volumen de suelo (contenido volumétrico de agua). Tensiómetro El tensiómetro es un dispositivo que responde a cambios de tensión de humedad en el suelo y su funcionamiento se rige por la fuerza de succión del suelo. Consiste en un medidor de vacío y un tubo sellado con una capa de cerámica porosa. La capa de cerámica simula movimiento del agua a través del suelo. Mientras más seco se encuentra el suelo, más alta es la lectura del tensiómetro. La interpretación de las mediciones de un tensiómetro varían según el cultivo, el tipo de suelo y la curva de humedad correlacionada [8]. La resistencia eléctrica La resistencia eléctrica se basa en el principio físico en el cual el contenido de humedad del suelo se puede determinar por la resistencia al paso de corriente eléctrica entre dos electrodos en contacto con el suelo. Entre más agua exista en la tierra, más baja es la resistencia [8]. Los dispositivos tales como los bloques de yeso y los sensores de matriz granular como Watermark utilizan la resistencia eléctrica para medir la humedad del suelo. 8.

(18) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. Sonda de neutrones Una sonda de neutrones contiene una fuente radioactiva que emite una cierta cantidad de neutrones que son aproximadamente del tamaño de un átomo de hidrógeno, un componente esencial del agua. Cuando los neutrones chocan contra los átomos de hidrógeno, se mueven más lento [8]. Un detector dentro de la sonda mide la proporción de los neutrones que son emitidos y de los neutrones que se mueven más lento que regresan. Los dos propósitos principales de su uso son: i) medir el contenido de agua del suelo y relacionarlo con otras propiedades físicas del suelo (conductividad hidráulica, tensión del agua del suelo, etc.) y ii) medir cambios del contenido de agua en el suelo. Reflectometría de dominio del tiempo Los instrumentos de reflectometría de dominio del tiempo (TDR, Time Domain Reflectometry) funcionan bajo el principio de que la presencia de agua en el suelo afecta la velocidad de propagación de una onda electromagnética. El TDR envía una onda electromagnética a través de una guía (generalmente un par de puntas paralelas de metal) colocada en el suelo a la profundidad deseada. El TDR entonces mide el tiempo que le toma a la onda viajar por la guía hacia el suelo y regresar. Este aparato registra el tiempo y lo convierte en una lectura de humedad del suelo. Entre más mojado se encuentre el suelo, mayor es el tiempo que necesita la onda electromagnética viajar por el suelo y regresar por la guía [8]. Reflectometría de dominio de frecuencia Los instrumentos de reflectometría de dominio de frecuencia (FDR, Frequency Domain Reflectometry) utilizan un oscilador de corriente alterna para formar un circuito eléctrico en conjunto con el suelo. Después de insertar en el suelo las sondas que pueden ser puntas paralelas o anillos de metal, el oscilador produce valores de frecuencia de acuerdo al contenido de humedad del suelo. La mayoría de los modelos utilizan un tubo de acceso instalado en el suelo (similar a la sonda de neutrones). Es sensible a las burbujas de aire que se forman entre los tubos de acceso y el suelo. Muchos de estos instrumentos necesitan instalación profesional para operar apropiadamente [8].. 1.2.2 Medición de humedad del suelo a distancia Las mediciones de humedad del suelo requieren que los agricultores recorran varias veces el terreno y lleven consigo equipos que puedan extraer, interpretar y almacenen los datos. Este proceso es costoso en tiempo por la frecuencia con que se debe realizar estas. 9.

(19) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. operaciones y sobre todo si los puntos de muestreo se encuentran distantes entre sí sobre el terreno. En la actualidad algunos de estos equipos pueden transmitir los datos a través de un canal de comunicación cableado o inalámbrico hasta un punto distante donde se encuentren los agricultores, de esta forma se logra obtener una mejor representación e interpretación de los datos a través de programas informáticos, generar alarmas y las estadísticas del comportamiento del riego sin necesidad del desplazamiento físico al campo. La red cableada obliga a desplegar cientos de metros de cables sobre el terreno lo que se convierte en una red estática y costosa por el tendido de los cables y mano de obra para su instalación en zanjas. Con los avances realizados en los campos de la electrónica y las comunicaciones inalámbricas se han solucionado estos problemas. Se han utilizado dispositivos inalámbricos para adquisición de los datos, lo que ha permitido las aplicaciones de las redes de sensores inalámbricas en el sector agrícola [12]. La tecnología inalámbrica constituye una atractiva opción para obtener de forma distante las mediciones de humedad del suelo para la programación del riego, así como la recogida en múltiples ubicaciones sobre el terreno y permite además el desplazamiento de los puntos ubicado sobre el terreno; por lo tanto, es la que se propone en el desarrollo de la presente investigación, específicamente mediante las redes de sensores inalámbricos.. 1.3 Redes de sensores inalámbricos Las redes de sensores inalámbricas (WSN, Wireless Sensor Networks) constituyen un tipo de red ad-hoc autónoma, constituida por unas decenas o cientos de nodos inteligentes (motes); caracterizados por tener poca capacidad de procesamiento y una fuente de alimentación típica basada en baterías [13]. Los nodos sensores por la que está constituida la red son pequeños sistemas informáticos embebidos, encargados de recoger datos del entorno como temperatura, humedad y que pueden comunicarse de forma inalámbrica [14]. En las WSN los datos recolectados y procesados por los nodos sensores son transmitidos hacia un nodo central conocido como gateway, como muestra la figura 1.2. En el proceso de transmisión de información desde las fuentes hacia el destino pueden participar múltiples nodos. El gateway se encarga de recopilar la información de todos los nodos de la red y a su vez, puede estar conectado a una computadora o a un dispositivo capaz de almacenar gran cantidad de información. Los usuarios acceden al nodo central que actúa como. 10.

(20) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. elemento de interconexión entre la WSN y una red TCP/IP4 para monitorizar los datos recolectados por los nodos sensores.. Figura 1.2 Red de sensores inalámbricos [15]. 1.3.1 Estructura de los nodos sensores Los nodos que componen la red de sensores están formados generalmente por una placa que integra los siguientes subsistemas de hardware: (i) unidad de sensores, (ii) unidad de procesado, (iii) módulo de radio y (iv) unidad de alimentación como se muestran en la figura 1.3.. Figura 1.3 Componentes de un nodo sensor [12]. La unidad de sensores toma los datos analógicos del entorno y los transforma en señales digitales para que el microprocesador lo pueda manipular. La unidad de procesado se encarga de coordinar al resto de los subsistemas, disparando las tareas de recogida de datos y su procesamiento; además, de las comunicaciones con otros nodos a través del módulo de radio. La unidad de alimentación suministra energía al resto de los subsistemas. En los nodos pueden existir opcionalmente otros subsistemas como los de movimiento, de localización, o un generador de potencia (por ejemplo, un panel fotovoltaico) [12]. 4. Conjunto de protocolos utilizados para la transmisión de datos en la red. 11.

(21) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. Los nodos sensores tienen limitaciones en cuanto a sus prestaciones. La unidad central de procesamiento (CPU, Central Processing Unit) funciona a baja frecuencia, disponen de pocos KiloBytes de memoria RAM (Random Access Memory) y tiene una fuente de alimentación que debe conservar la energía durante el mayor tiempo posible. Las funciones que realizan los nodos se limitan a la captura y envío de datos, con algunas tareas de procesamiento destinados a disminuir la cantidad de información que se transmiten hacia la red. Algunos nodos pueden disponer de una memoria flash del orden de cientos de KiloBytes para el almacenamiento de datos, que no tienen por qué ser inmediatamente transmitidos por el módulo de radio. Los nodos sensores cuentan con puertos de entrada/salida que permiten tanto el conexionado de subsistemas adicionales, como la comunicación con una computadora para su programación [12].. 1.3.2 Características de una red de sensores inalámbricos Las WSN tienen varias características que se deben tener en cuenta en la fase de diseño entre las que se pueden mencionar: tolerancia a fallos, densidad y escalabilidad, entorno de trabajo, consumo de potencia y el medio de transmisión. Tolerancia a fallos Es la capacidad de mantener la operatividad de una WSN sin ninguna interrupción, a pesar de que uno o varios nodos no funcionen correctamente producto a la alimentación, la electrónica, daño en el dispositivo y las interferencias del entorno. El fallo de nodos sensores no debería comprometer el funcionamiento global de la red de sensores [12]. La fiabilidad o tolerancia a fallos de un sensor es modelado con una distribución de Poisson para calcular la probabilidad de tener un fallo en un intervalo de tiempo (0; t). 𝑅𝑘 (𝑡) = 𝑒 −𝜆𝑘𝑡. (1.1). Donde: λ es la tasa de fallo de un sensor k en un período de tiempo t. Densidad y escalabilidad Los nuevos diseños deben ser capaces de trabajar con un número de nodos del orden de centenares dependiendo de la aplicación y la alta densidad que pueda existir en una región. La cantidad de nodos sensores en un campo, está limitada en dependencia de la aplicación de la red, o sea, de la información a supervisar [12].. 12.

(22) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. Entorno de trabajo Los nodos sensores inalámbricos son desplegados muy cerca o directamente en el interior del fenómeno a ser observado. Por consiguiente, normalmente trabajan desatendidos en áreas geográficas remotas. Consumo energético Los nodos sensores, por lo general, son equipados con una fuente de alimentación limitada. En algunas ocasiones los nodos son inaccesibles y el tiempo de vida de estos, en consecuencia, muestra una gran dependencia de la autonomía del sistema de alimentación. Los nodos deben de tener un consumo de potencia relativamente bajo, ser autónomos, funcionar sin supervisión y tener capacidad de adaptación al medio ambiente [12]. Transmisión inalámbrica Para la comunicación entre los nodos sensores se escogen las bandas de frecuencias en la que transmitirán los dispositivos. Las WSN por lo general utilizan la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,4 GHz a nivel mundial, en 433 MHz en América y 868 MHz en Europa [12] que puede ser usadas sin necesidad de licencias para los cuales se respetan ciertos límites de potencia emitida.. 1.3.3 Tecnologías inalámbricas para las redes de sensores La transmisión de datos en las WSN se logra a través de las tecnologías inalámbricas que están sustentadas por los estándares de comunicación. Dentro de ellas se encuentran: Wifi, Bluetooth y ZigBee que se describen a continuación. WiFi basado en el estándar IEEE 802.11 es un sistema de envío de datos de forma inalámbrica, que permite formar redes comparables en prestaciones a Ethernet. Bluetooth está basado en el estándar IEEE 802.15.1 [16] y es una especificación industrial para WPAN que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia segura y globalmente libre. ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 [17]. La tabla 1.1 recoge las principales características de las tecnologías de comunicación inalámbricas citadas en este apartado.. 13.

(23) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. Tabla 1.1 Tecnologías de transmisión inalámbricas Wifi 802.11 a/b/g. Bluetooth 802.15.1. Frecuencia. 2.4 GHz. 2.4 GHz. Técnica de modulación. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) v.1.2: 1 Mbps v.2.0: 3 Mbps. Estándar IEEE. Velocidad de transmisión de datos Cobertura Duración de las batería Costo Aplicaciones. 11/54 Mbps. ZigBee 802.15.4 868 MHz (Europa) 915 MHz (EEUU) 2,4 GHz (en el mundo) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 20 Kbps (868 MHz) 40 Kbps (915 MHz) 250 Kbps (2,4 GHz) 10 / 100 m. < 100 m. Clase 1: 100 m Clase 2: 15–20 m. Horas. Días. Meses. Relativamente alto. Relativamente bajo En computadoras, teléfonos móviles. Bajo. Conexión a internet, web, email, video. Control, monitorización y localización. La tecnología ZigBee a diferencia de otras tecnologías está especialmente diseñada para grandes redes de sensores, con características inherentes a ellas: fiabilidad, larga duración de las baterías de los dispositivos, bajo coste, tamaño pequeño y complejidad reducida, sin requerimientos de calidad de servicio importantes. Ofrece un estándar abierto, eficiente, de poco consumo para la monitorización y control de dispositivos de forma inalámbrica. Por estos criterios, la tecnología Zigbee es la más utilizada en las aplicaciones de las WSN, en cuanto al alcance y cobertura que se obtiene depende fundamentalmente de las características del hardware del módulo de radiofrecuencia utilizado y del entorno de transmisión. En ocasiones es necesaria la transmisión de los datos a largas distancias donde se encuentra el sistema de monitorización de los agricultores. En estos casos, se debe de verificar si existe cobertura de la telefonía celular para establecer una conexión mediante GSM o GPRS. La tabla 1.2 muestra una comparación de la transmisión de la información, velocidad de transferencia, tiempo de establecimiento de conexión, así como la tarificación de las tecnologías GSM y GPRS.. 14.

(24) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. Tabla 1.2 Comparativa de las tecnologías inalámbricas GSM y GPRS Criterios Transmisión de información Velocidad de transferencia Tiempo de establecimiento de conexión Tarificación. GSM. GPRS. Conmutación de circuitos -transmisión de voz 9,6 Kbps 15 a 30 segundos. Conmutación de paquetes -transmisión de datos 40 - 115 Kbps < 1 segundos. Por tiempo de conexión. Por volumen de datos transferidos. Para la transmisión únicamente de datos, el servicio adecuado es GPRS que permite a los usuarios recibir facturas por volumen de datos transferidos, en lugar de la duración de la conexión, lo que significa, que pueden permanecer conectados sin costo adicional y la velocidad de transferencia es mayor que GSM.. 1.3.4 El estándar IEEE 802.15.4 El estándar IEEE 802.15.4 [17] define la capa física y la especificación de la subcapa de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) para dispositivos fijos, portátiles o móviles con requerimientos de consumo para baterías limitadas que operen en redes inalámbricas personales de área local con tasas bajas de envío de datos (LR-WPAN, Low Rate-Wireless Personal Area Network).. 1.3.4.1 Capa física IEEE 802.15.4 La capa física definida en el estándar IEEE 802.15.4 proporciona el servicio de transmisión de datos sobre el medio físico, controla el transceptor de radiofrecuencia y realiza la selección de canales junto con el control de consumo y de señal. La capa física es la responsable de las siguientes tareas [17]: . Activación y desactivación del transceptor de radio. . Transmisión y recepción de datos a través del medio físico. . Detección de energía en el canal actual. . Indicador de calidad del enlace para paquetes recibidos. . Evaluación del canal libre para el acceso múltiple por detección de portadoras y evasión de colisiones (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). . Selección de la frecuencia del canal. 15.

(25) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. En esta capa se define las características de transmisión del estándar en tres bandas de frecuencias como se muestra en la tabla 1.3. La primera banda se utiliza en Europa, la segunda en EEUU y la tercera en el resto del mundo. Tabla 1.3 Velocidad de transmisión asociado a las bandas de frecuencias [17] Parámetros de propagación PHY (MHz). Banda de frecuencia (MHz). Velocidad de chip (kchip/s). 868 - 868.6. 300. 902 - 928. 600. 2400 2483.5. 2000. 868/915. 2450. Modulación. Parámetros de datos Velocidad de bit (kbps). Velocidad de símbolos (ksymbol/s). Símbolos. 20. 20. Binario. 40. 40. Binario. 250. 62.5. Ortogonal 16-ario. BPSK(Binary Phase Shift Keying) BPSK O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying). 1.3.4.2 Capa MAC IEEE 802.15.4 La capa MAC definida en el estándar provee una interfaz entre la capa física y la siguiente capa sobre la MAC y es la responsable de las siguientes tareas [17]: . Generación de tramas beacon si el dispositivo es un coordinador. . Sincronización de la red con tramas beacon. . Soporte de asociación y disociación de la red de área personal (PAN, Personal Area Network). . Soporte a la seguridad del dispositivo. . Utiliza el algoritmo CSMA/CA para acceso al canal. . Manejo y mantenimiento del mecanismo de ranuras de tiempo garantizada (GTS, Guaranteed Time Slots). . Provee un confiable enlace entre dos entidades MAC iguales. . Realiza las labores de validar las tramas que recibe, comprobar errores en la transmisión y confirmar la recepción de tramas al emisor.. El estándar define cuatro estructuras de tramas para mantener la complejidad al mínimo y al mismo tiempo hacerlas suficientemente robustas para transmisiones por canales ruidoso: (i) trama de beacon utilizada por el coordinador para transmitir beacon, (ii) trama de datos utilizada para la transferencia de datos, (iii) trama de aceptación o acuse de recibo (ACK, acknowledgment) y (iv) trama de comandos MAC utilizada para el manejo de toda la 16.

(26) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. transferencia de control de las entidades MAC iguales. La estructura de cada una de estas tramas se encuentras descritas en el Anexo I. El estándar IEEE 802.15.4 define dos modos de operación: Modo beacon habilitado (beacon-enabled): las tramas beacon son transmitidas de forma periódica por el coordinador PAN, el cual utiliza una estructura de supertrama para sincronizar las comunicaciones con los dispositivos. Modo beacon no habilitado (non beacon-enabled): todos los nodos envían sus datos empleando el mecanismo CSMA/CA. En este modo no se utiliza supertrama. La figura 1.4 muestra la estructura de la supertrama que es definida por la transmisión de tramas beacon y puede estar dividida en dos períodos: activo e inactivo. La porción activa, independientemente de la duración de la supertrama, está dividida en 16 ranuras de igual duración, la cual puede ser configurada. El período activo está compuesto por un beacon, un período de acceso por contención (CAP, Contention Access Period) y un período libre de contención (CFP, Contention Free Period). Durante la porción inactiva el coordinador puede entrar en un modo de bajo consumo.. Figura 1.4 Ejemplo de la estructura de la supertrama [17]. El atributo macBeaconOrder (BO) describe el intervalo en el cual el coordinador transmite las tramas beacon. El valor de BO y el intervalo beacon (BI, Beacon Interval) están relacionadas de la siguiente forma: Para 0 ≤ BO ≤ 14, 𝐵𝐼 = 𝑎𝐵𝑎𝑠𝑒𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ∗ 2𝐵𝑂 símbolos. (1.1). Si B0 = 15 el macSuperframeOrder es ignorado. El atributo macSuperframeOrder (SO) describe la longitud de la porción activa de la supertrama. El valor SO y la duración de la supertrama (SD, Superframe Duration) están relacionadas de la siguiente forma: Para 0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14, 𝑆𝐷 = 𝑎𝐵𝑎𝑠𝑒𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ∗ 2𝑆𝑂 símbolos. (1.2). Si SO = 15, la supertrama no permanece en la porción activa después del beacon. El estándar define que: 17.

(27) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. 𝑎𝐵𝑎𝑠𝑒𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑠𝐵𝑎𝑠𝑒𝑆𝑙𝑜𝑡𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ∗ 𝑎𝑁𝑢𝑚𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒𝑆𝑙𝑜𝑡𝑠. (1.3). Donde: 𝑠𝐵𝑎𝑠𝑒𝑆𝑙𝑜𝑡𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 60 𝑠í𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜𝑠 y 𝑎𝑁𝑢𝑚𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒𝑆𝑙𝑜𝑡𝑠 = 16 𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠. 1.3.4.3 Funcionalidad y topología de los dispositivos IEEE 802.15.4 En una red IEEE 802.15.4 participan dispositivos de funcionalidad completa (FFD, Full Function Device) y de funcionalidad reducida (RFD, Reduced Function Device). Los FFD pueden operar en tres modos: (i) como un coordinador PAN, (ii) un coordinador o (iii) un dispositivo de red. Los FFD están equipados con un completo conjunto de funciones de la capa MAC, cuando actúa como un coordinador de la red envían beacon que proporcionan sincronización, comunicación y servicios de unirse a la red. Los FFD pueden comunicarse con los RFD y otros FFD, mientras que los RFD solo pueden establecer comunicación con los FFD [17]. En función de los requerimientos de la aplicación una red IEEE 802.15.4 LR-WPAN puede estar configurada con dos topologías: estrella (star) y entre iguales (peer-to-peer) como se muestra en la figura 1.5.. Figura 1.5 Ejemplos de topologías star y peer-to-peer [17]. La topología estrella (star) establece la comunicación entre los dispositivos y un único controlador central (coordinador PAN). Este coordinador puede tener una aplicación específica, pero tiene la obligación de iniciar, liberar, o intercambiar los paquetes dentro de la red. La topología peer-to-peer se diferencia de la topología en estrella en que cualquier dispositivo puede intercambiar información con otros dispositivos siempre y cuando estén dentro de su rango de transmisión. Permite implementar redes más complejas, como una topología de tipo malla. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de esta topología se 18.

(28) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. encuentran: la monitorización y control industrial, redes de sensores inalámbricos, seguimiento de objetos, agricultura de precisión y la seguridad [17]. Todos los dispositivos que operan en una red con cualquiera de las dos topologías deben tener direcciones únicas de 64-bits. También se pueden usar direcciones de 16 bits, que son asignadas a los dispositivos cuando se asocian con el coordinador y que se denotan con el término “short address”.. 1.3.5 Zigbee La Alianza ZigBee (ZigBee Alliance) está formada por una asociación de industrias que trabajan en conjunto para desarrollar normas y productos. Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías.. Figura 1.6 Capas funcionales de ZigBee [18]. La figura 1.6 muestra las diferentes capas que conforma la pila de protocolos para ZigBee. La capa física y la MAC están definidos por el estándar IEEE 802.15.4. ZigBee especifica la capa de red (Network Layer), los servicios de seguridad y la capa de aplicación (APL, Application Layer) donde se definen los perfiles de aplicación de los dispositivos utilizados. De esta manera, el estándar IEEE 802.15.4 y ZigBee se complementan para proporcionar una pila completa de protocolos que permiten la comunicación entre varios dispositivos de una forma eficiente y sencilla. Las características y funciones de la capa física y MAC pertenecen al estándar IEEE 802.15.4 y fueron descritas en los apartados anteriores, solo resta definir las capas que pertenecen a las especificaciones de Zigbee.. 19.

(29) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. 1.3.5.1 Capa de red de Zigbee Esta capa tiene como objetivo principal permitir el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer una interfaz adecuada para su uso por parte de la capa de aplicación. En una red con tecnología ZigBee existen tres tipos de dispositivos involucrados: coordinador ZigBee, enrutador ZigBee y dispositivo final ZigBee. El coordinador ZigBee es el tipo de dispositivo más completo y debe existir únicamente uno por red. Sus funciones son las de encargarse de controlar la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos. El enrutador ZigBee es un FFD con capacidad de realizar tareas de enrutamiento para interconectar los dispositivos separados en la topología de la red. El dispositivo final ZigBee se corresponde con un RFD o un FFD definido por el estándar IEEE 802.15.4, el cual actúa como un dispositivo simple y posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre (ZC o ZR), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos ZED. La capa de red soporta topologías (ver figura 1.7) más complejas que las del estándar IEEE 802.15.4: estrella (star), árbol (tree) y malla (mesh).. Figura 1.7 Topologías soportadas por la tecnología ZigBee [19]. En la topología estrella la red está controlada por un único dispositivo, el ZC el cual es el responsable de iniciar y mantener los dispositivos en la red. Los dispositivos ZED se comunican directamente con el ZC. En la topología árbol y malla, el ZC tiene la responsabilidad de iniciar y configurar ciertos parámetros importantes de la red, pero la red puede ser extendida a través de la utilización de dispositivos ZR. En la topología árbol los ZR intercambian datos y mensajes de control a lo largo de la red usando una estrategia de enrutamiento de forma jerárquica. Este tipo de redes pueden emplear comunicaciones en 20.

(30) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. el modo de beacon-enable como describe el estándar IEEE 802.15.4. La red con topología malla permiten una comunicación peer-to-peer completa. La capa de red es la responsable de las siguientes operaciones [18]: . Configurar un nuevo dispositivo. Por ejemplo, un nuevo dispositivo puede ser configurado para comenzar a operar como un coordinador o intentar unirse a una red existente.. . Comenzar una nueva red. . Unirse y abandonar la red. . Aplicar política de seguridad en la capa de red. . Encaminar los paquetes dirigidos a otros nodos en la red. Solo el coordinador y los enrutadores pueden retransmitir los mensajes. . Descubrir los nodos vecinos ubicados a un solo salto.. . Almacenar la información relevante de los nodos vecinos ubicados a un solo salto.. . Asignar las direcciones de los dispositivos que se unan a la red. Solo los coordinadores y los enrutadores pueden asignar las direcciones.. 1.3.5.2 Capa de aplicación de Zigbee La capa de aplicación es la más alta de la pila de protocolos Zigbee se subdivide en: la subcapa de aplicación (APS, APplication Support), la capa ZDO (ZigBee Device Objects), y los objetos de aplicación definidos por cada uno de los fabricantes [18]. La APS proporciona una interface entre la capa de red y la capa de aplicación, a través de un conjunto de servicios que se utilizan junto a los ZDO y otros objetos que hayan sido definidos por los fabricantes. Las responsabilidades de la subcapa APS son [18]: . Reenviar los mensajes entre los dispositivos. . Gestionar las direcciones de grupo. . Mapear direcciones de red IEEE de 64 bit a 16 bit y viceversa. . Soporte confiable de transporte de datos. El ZDO es una aplicación que utiliza la capa de red y los servicios de la APS para implementar en un dispositivo uno de los tres roles (coordinador, enrutador o dispositivo final). . Define los roles de los dispositivos en la red. . Descubre los dispositivos en la red y sus aplicaciones. Inicializa o responde a las solicitudes. . Desempeña las áreas relacionadas con la seguridad. 21.

(31) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. 1.3.6 Sistemas operativos para redes de sensores inalámbricos Las WSN cuentan con sistemas operativos que se encargan de controlar las funcionalidades de los nodos, los cuales presentan diferencias en cuanto a restricciones de recursos, dinamismos de las redes y despliegue desatendido, con respecto a los sistemas operativos tradicionales. Entre los sistemas operativos más utilizados para WSN se encuentran TinyOS [20], Contiki [21] y MantisOS [22]. TinyOS5 (Tiny Microthreading Operating Systems) es el sistema operativo más utilizado para gestionar el funcionamiento de los nodos. Está basado en un diseño multihilo y dirigido por eventos, de forma que las aplicaciones reaccionan ante los acontecimientos externos enviando una señal de interrupción cuando llega un evento. TinyOS es de código abierto y se estructura en componentes que proporcionan una abstracción de hardware o una determinada funcionalidad. Ante una interrupción de hardware, se establece una cadena de invocaciones a componentes para responder de forma efectiva. Proporciona dos abstracciones más: (i) tareas que son ejecutadas cuando el procesador no está atendiendo ningún evento o interrupción y (ii) comandos que son utilizados para que un componente ejecute una secuencia de código concreta. Contiki6 combina las ventajas de los eventos y de los hilos. Es de código abierto e híbrido, ya que está dirigido por eventos, pero soporta también la planificación multihilo como una librería opcional a nivel de aplicación. Los programas deben de ser implementados como máquinas de estados, por lo que la programación de aplicaciones complejas puede ser bastantes tediosas. MantisOS7 es un sistema operativo para redes de sensores basado en hilos los cuales consisten en entidades computacionales simples que tienen su propio estado. La ejecución de una aplicación conlleva la ejecución de múltiples hilos. MantisOS es de código abierto, pero la falta de actualizaciones (la última del 2007) hace que no se hayan resuelto algunos problemas relativos a la sobrecarga de memoria al llevar a cabo la gestión de los hilos.. 1.3.7 Protocolos de enrutamiento en redes de sensores inalámbricos Los protocolos de enrutamiento o encaminamiento son los responsables de descubrir las rutas entre los nodos para llevar a cabo las comunicaciones. En la actualidad existen una. 5. Disponible en: http://www.tinyos.net. 6. Disponible en: http://www.sics.se/contiki/. 7. Disponible en: http://mantisos.org/index/tiki-index.php.html. 22.

(32) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. gran variedad de protocolos de encaminamiento aplicados a las WSN, los cuales se pueden clasificar en tres grupos: protocolos proactivos, reactivos y específicos de las WSN.. 1.3.7.1 Protocolos de enrutamientos proactivos Los protocolos proactivos tratan de mantener actualizada en todo momento la tabla de encaminamiento de cada uno de los nodos en la red, para ello, envían periódicamente mensajes de información y de esta forma logran el mínimo retardo en la transmisión de los paquetes. Ejemplos de ellos son: DSDV (Destination Sequence Distance Vector), y OLSR (Optimized Link State Routing). DSDV [23]: los nodos mantienen las tablas de enrutamiento que contienen todos los posibles destinos, así como información relativa a la distancia a cada uno de ellos. Utiliza números de secuencia para evitar el uso de rutas obsoletas. Para asegurar la consistencia de las tablas, estas son actualizadas por el envío periódico de mensajes de información. Para contener la sobrecarga, se utilizan dos tipos de paquetes: full dump y paquetes incrementales. El protocolo presenta buenos resultados en términos de retardo extremo a extremo y cantidad de paquetes descartados, no así sobre el consumo de energía ni sobre la calidad de las rutas creadas [14]. OLSR [24]: está definido en el RFC (Request for Comments) 3626. Utiliza como base la información sobre el estado de los enlaces, que es mantenida debido a mensajes hello y un tipo de mensajes especial llamado topology control, que permiten llevar a cabo el descubrimiento y mantenimiento de las rutas. Los nodos utilizan esta información para computar el siguiente salto donde utiliza como métrica el número de saltos [14].. 1.3.7.2 Protocolos de enrutamientos reactivos Los protocolos reactivos crean las rutas de encaminamiento cuando los nodos fuentes tienen la necesidad de enviar paquetes al destino. Las rutas son establecidas bajo demanda, donde la sobrecarga de la red es mucho menor en comparación con los protocolos proactivos, pero los retrasos de establecimiento de rutas son mayores. Ejemplo de estos protocolos son: AODV (Ad hoc demand Vector Distance) y DSR (Dynamic Source Routing). AODV [25]: está definido en el RFC 3561. Es utilizado por defecto por la tecnología inalámbrica ZigBee. Utiliza tablas de enrutamiento tradicionales y mantiene números de secuencia para prevenir bucles y evitar rutas obsoletas. El descubrimiento de las rutas está basado en ciclos de petición y respuesta; y la métrica utilizada es el número de saltos desde la fuente hacia el destino. Cuando un nodo desea enviar datos a un destino, envía mediante 23.

(33) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. difusión un mensaje de petición de rutas RREQ (Route REQuest), el cual es propagado a través de la red y cualquier nodo que conozca el camino hacia el destino, o el mismo destino, contesta a la petición con la ruta solicitada mediante un mensaje RREP (Route REPly). Una vez que la fuente ha recibido la respuesta, puede enviar los datos hacia el destino. Si algún error ocurre durante el tiempo de vida de las rutas, AODV ofrece mecanismos para avisar a los posibles usuarios de estas rutas para evitar su uso [14]. DSR [26]: está definido en la RFC 4728. Permite a la red auto-organizarse y autoconfigurarse. Se basa en un concepto de encaminamiento en origen y lleva a cabo dos procesos básicos: descubrimiento de rutas, en el que se utiliza la técnica de inundación para descubrir nuevas rutas y el mantenimiento de rutas que permite la detección y notificación de cambios en la topología de la red de forma periódica. Ambos procesos se ejecutan de forma simultánea para permitir a los nodos descubrir y mantener las rutas hacia los caminos deseados.. 1.3.7.3 Protocolos de enrutamientos específicos Los protocolos específicos para WSN son ligeros en cuanto a consumo de energía y sobrecarga mínima de mensajes, ejemplo de ellos son: LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierrarchy) y TEEN (Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols). LEACH: es un protocolo jerárquico conformado por cluster, la formación de estos es distribuida basada en un subconjunto predeterminado de los nodos que se eligen de forma aleatoria como cabecera de cluster. La función de este rol consiste en comprimir la información que se recibe de los nodos que conforman el cluster y enviar sólo los mensajes con la información agregada hacia la estación base, donde se reduce de esta forma la cantidad de transmisiones. Utiliza un esquema TDMA/CDMA (Time Division Multiple Access/ Code División Multiple Access) MAC para evitar las colisiones entre los cluster. Después de un tiempo determinado, se realiza la rotación de la cabecera del cluster, esto permite lograr una distribución más uniforme del consumo de energía prolongando el tiempo de vida y todos los nodos participan en dicha rotación [27]. Un inconveniente del protocolo es al seleccionar las cabeceras en forma aleatoria que pueden quedar concentradas en algún sector de la red y podría ocasionar la desconexión de un número indeterminado de nodos [28]. El protocolo asume que todos los nodos pueden transmitir con suficiente potencia como para alcanzar a la estación base si fuera necesario y que cada nodo tiene potencia computacional como para soportar diferentes protocolos MAC. Por tanto, no es aplicable a redes desplegadas sobre grandes regiones [29]. 24.

(34) CAPÍTULO 1. RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DEL RIEGO. TEEN [30]: es un protocolo jerárquico conformado por cluster propuesto para aplicaciones de tiempo crítico. El proceso de adquisición de los datos es constante en los nodos, aunque las transmisiones no son tan frecuentes. Un cabeza de cluster, envía a sus miembros un umbral fuerte, el cual indica el rango de valores que interesa del atributo que se mide y un umbral débil que indica la magnitud del cambio en el valor del atributo medido, que es representativo y que le indica al nodo que debe transmitir. El primero trata de disminuir el número de transmisiones que permite al nodo transmitir solo cuando el atributo medido está en el rango de interés. Mientras que el débil, por su parte reduce aún más el número de transmisiones al evitar realizarlas cuando hay un cambio pequeño o no hay cambio en el valor medido. Cuando se realiza la rotación en el rol de la cabeza del cluster, son enviados los nuevos valores de los parámetros vía difusión. La principal desventaja de este esquema es que si los nodos no reciben los umbrales, no envían información y el usuario no recibe datos de la red a pesar de que los nodos sensores tomen los valores del ambiente continuamente [27].. 1.3.8 Simuladores para redes de sensores inalámbricos La simulación obtenida a través de una aplicación informática es fundamental para estudiar las WSN, actualmente es uno de los métodos más utilizados por los desarrolladores para llevar a cabo la experimentación con nuevos algoritmos, protocolos y aplicaciones antes de ser implementados en el diseño final [14]. Existen una gran diversidad de herramientas para modelar las WSN, algunos son específicos para unas plataformas y otros son simuladores de propósito general donde se han creado módulos que permiten llevar a cabo la simulación de la red. Entre los simuladores que permiten modelar el comportamiento de las WSN se encuentran: NS2, OMNET y OPNET. NS-28 (Network Simulator versión 2): es un simulador de eventos discretos desarrollado en C++, cuya interfaz de usuario se presenta como un intérprete de lenguaje tcl orientado a objetos (lenguaje Otcl). NS-2 está dirigido a la creación de redes destinadas a la investigación, y es considerado como uno de simuladores más importantes utilizado en la actualidad [31]. Proporciona un apoyo sustancial para la simulación de TCP, enrutamiento y protocolos de multidifusión a través de redes de conexiones inalámbricas locales y remotas. NS-2 se centra en la simulación de las capas del modelo de interconexión de sistemas abiertos, en el consumo de energía y de los fenómenos en la capa física. Incluye un amplio depósito de protocolos, generadores de tráfico y herramientas para simular TCP 8. Disponible en: http://www.isi.edu/nsnam/ns/. 25.